KOHとTMAHの違い：シリコンの異方性エッチングの速さ・マスク・CMOSとの相性を比較
KOHとTMAHは、どちらもシリコンを結晶面によって大きく異なる速さで溶かすアルカリの水溶液です。(111)面がほかの面より非常に遅くエッチングされるため、(100)面のウエハでは(111)面が約54.7°の斜面として現れ、V字形の溝やピラミッド形の穴、薄いダイヤフラムをつくれます。KOHは安価で、結晶面による速さの差が大きく、MEMSのバルクマイクロマシニングで古くから使われてきました。ただし、カリウムイオンがトランジスタの特性を乱すため、CMOSの工程には持ち込めません。TMAHは金属イオンを含まないのでCMOSと両立しやすく、酸化膜をマスクに使いやすい一方、結晶面による速さの差は小さめです。また、皮膚から吸収されると重い中毒を起こすため、取り扱いには特に注意が必要です。
| 項目 | KOH | TMAH |
|---|---|---|
| 成分と使う条件 | 水酸化カリウムの水溶液。一般に20〜40 wt%程度、60〜90 ℃程度で使う | 水酸化テトラメチルアンモニウムの水溶液(金属を含まない有機アルカリ)。一般に5〜25 wt%程度、70〜90 ℃程度で使う |
| (100)面のエッチングの速さの目安 | 一般に毎分1 µm前後(濃度と温度で大きく変わる) | 一般に毎分0.3〜1 µm程度で、KOHより遅いことが多い |
| (100)面と(111)面の速さの比 | 大きい。一般に100倍以上で、条件によっては数百倍 | 小さめ。一般に十数〜数十倍程度 |
| 使えるマスク | シリコン窒化膜(LPCVD)が最適。SiO2もエッチングされる速さが無視できず、長時間のエッチングには厚い膜が必要 | SiO2が非常に遅くしかエッチングされないので、熱酸化膜をマスクに使いやすい。シリコン窒化膜も使える |
| CMOSとの相性 | 悪い。カリウムイオンが可動イオンとしてゲート酸化膜に入り、しきい値電圧を変動させるので、CMOSの工程には持ち込まない。アルミ配線も速く侵す | よい。金属イオンを含まないので、CMOSの回路をつくったあとのMEMS加工(ポストCMOS)に使える。アルミ配線は侵されるが、シリコンなどを溶かし込んで侵食を抑える条件が知られている |
| エッチング面の荒れ | 濃度が高めの条件では、比較的なめらかな面が得られやすい | 濃度が低いと(100)面に小さなピラミッド状の突起(ヒロック)ができやすい。濃度を上げるとなめらかになるが、エッチングは遅くなる |
| 安全性と取り扱い | 強いアルカリで、皮膚や目に重い損傷を起こす。薬液は安価で扱いやすい | 強いアルカリであるうえ、皮膚から吸収されると神経から筋肉への信号の伝達を妨げ、呼吸の停止などの全身の中毒を起こすおそれがある。高濃度の液は特に危険 |
| 主な用途 | 圧力センサのダイヤフラム、光ファイバを位置合わせするV溝、インクジェットのノズル、ウエハを貫通する穴など、回路を含まないMEMSのバルク加工 | 回路と同じチップにつくるMEMSの構造の切り離し(熱型のセンサなど)、金属イオンの汚染を避けたいシリコンの異方性エッチング |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。